Croissance par MBE et caractérisation de structures GaInAsP pour la réalisation de circuits intégrés photoniques à base d'amplificateurs optiques à très large bande spectrale PDF Download
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Author: Quentin Hochart
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Book Description
Les transferts de données par fibre optique sont en constante évolution et requièrent des débits toujours plus importants. L'efficacité spectrale des transmetteurs atteignant leur limite, il faut à présent s'orienter vers l'extension de la largeur spectrale utilisée dans les fibres. Pour les transmissions longues distances, dans la bande C+L (1530-1625 nm), pour laquelle l'absorption est minimale dans les fibres optiques, des amplificateurs à fibres dopées Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) sont actuellement utilisés. Cependant, leur bande passante est limitée à 40 nm. Les amplificateurs optiques à semiconducteur (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) et « Reflective » SOA (RSOA) sont de sérieux candidats pour les remplacer, avec des larges bandes optiques pouvant atteindre 100 nm. Durant cette thèse, nous avons conçu et réalisé des SOA et RSOA très large bande montrant des performances supérieures ou égales à l'état de l'art en bande C+L. Pour les transmissions courtes distances, en bande O (1260-1360 nm), correspondant au minimum de dispersion chromatique dans la fibre, il n'existe pas de solutions d'amplification large bande. Nous avons donc conçu et fabriqué des SOA large bande, afin d'améliorer les capacités des réseaux d'accès.Nous avons débuté la conception, en bandes C+L et O, de structures SOA très large bande par le design des structures de bande et du confinement des niveaux électroniques dans la zone active. Cette zone est faite de multi-puits quantiques (Multiple Quantum Wells - MQW) à base de GaInAsP. Nous avons ensuite conçu un super réseau de couches GaInAsP/InP à forts indices de réfraction sous la zone active (« Cladding » inférieur). Cette couche de confinement électronique et optique permet la régulation du confinement optique dans la zone active, en attirant le mode vers le bas de la structure, ce qui limite les pertes optiques. Nous avons ainsi conçu 4 structures en bande C+L et 2 en bande O.Nous avons fabriqué les structures de base des SOA par épitaxie par jets moléculaires (Molecular Beam Epitaxy - MBE). Ces structures possèdent des puits épais (14 et 11 nm), avec des contraintes en compression de l'ordre de 1%. Cette contrainte a dû être compensée dans les barrières des structures en bande O pour éviter la relaxation du matériau. 2 processus de fabrication ont ensuite été mis en œuvre : (i) le SIBH 2 étapes (pour Semi-Insulating Buried Heterostructure), processus classique utilisé pour la fabrication des SOA et (ii) le SIBH 1 étape, nouvellement développé au laboratoire, permettant une réduction du nombre d'étapes de fabrication ainsi qu'une meilleure injection de courant. Pour ces 2 processus, les rubans sont gravés dans les structures de base pour réaliser les étapes de reprise d'épitaxie nécessaires. La première reprise, commune aux deux processus, est la croissance d'InP:Fe de part et d'autre des rubans pour les isoler électriquement. Cette étape est réalisée par dépôt en phase chimique aux métal-organiques (MetalOrganic Chemical Vapor Phase Deposition - MOCVD). Pour le SIBH 2 étapes, une seconde reprise est nécessaire pour la croissance des couches de confinement électronique ainsi qu'une étape d'implantation de protons pour isoler électriquement les rubans entre eux. Les plaques sont ensuite amincies, métallisées et clivées pour permettre le montage sur embase des composants et leurs caractérisations.Les différents SOA et RSOA obtenus ont permis la comparaison des 2 processus de fabrication en terme de performances de composants. Ils présentent tous un comportement très larges bande (>90 nm), des valeurs de gain élevées (35 dB) et de faibles facteurs de bruit (Noise Figure - NF) (5 dB) en bande C+L. En bande O, les SOA atteignent des gains de 18,5 dB, avec un faible NF (5 dB) sur de larges bandes passantes allant jusqu'à 75 nm, faisant l'état de l'art de l'amplification large bande en bande O.
Author: Quentin Hochart
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Les transferts de données par fibre optique sont en constante évolution et requièrent des débits toujours plus importants. L'efficacité spectrale des transmetteurs atteignant leur limite, il faut à présent s'orienter vers l'extension de la largeur spectrale utilisée dans les fibres. Pour les transmissions longues distances, dans la bande C+L (1530-1625 nm), pour laquelle l'absorption est minimale dans les fibres optiques, des amplificateurs à fibres dopées Erbium (Erbium Doped Fiber Amplifier - EDFA) sont actuellement utilisés. Cependant, leur bande passante est limitée à 40 nm. Les amplificateurs optiques à semiconducteur (Semiconductor Optical Amplifier - SOA) et « Reflective » SOA (RSOA) sont de sérieux candidats pour les remplacer, avec des larges bandes optiques pouvant atteindre 100 nm. Durant cette thèse, nous avons conçu et réalisé des SOA et RSOA très large bande montrant des performances supérieures ou égales à l'état de l'art en bande C+L. Pour les transmissions courtes distances, en bande O (1260-1360 nm), correspondant au minimum de dispersion chromatique dans la fibre, il n'existe pas de solutions d'amplification large bande. Nous avons donc conçu et fabriqué des SOA large bande, afin d'améliorer les capacités des réseaux d'accès.Nous avons débuté la conception, en bandes C+L et O, de structures SOA très large bande par le design des structures de bande et du confinement des niveaux électroniques dans la zone active. Cette zone est faite de multi-puits quantiques (Multiple Quantum Wells - MQW) à base de GaInAsP. Nous avons ensuite conçu un super réseau de couches GaInAsP/InP à forts indices de réfraction sous la zone active (« Cladding » inférieur). Cette couche de confinement électronique et optique permet la régulation du confinement optique dans la zone active, en attirant le mode vers le bas de la structure, ce qui limite les pertes optiques. Nous avons ainsi conçu 4 structures en bande C+L et 2 en bande O.Nous avons fabriqué les structures de base des SOA par épitaxie par jets moléculaires (Molecular Beam Epitaxy - MBE). Ces structures possèdent des puits épais (14 et 11 nm), avec des contraintes en compression de l'ordre de 1%. Cette contrainte a dû être compensée dans les barrières des structures en bande O pour éviter la relaxation du matériau. 2 processus de fabrication ont ensuite été mis en œuvre : (i) le SIBH 2 étapes (pour Semi-Insulating Buried Heterostructure), processus classique utilisé pour la fabrication des SOA et (ii) le SIBH 1 étape, nouvellement développé au laboratoire, permettant une réduction du nombre d'étapes de fabrication ainsi qu'une meilleure injection de courant. Pour ces 2 processus, les rubans sont gravés dans les structures de base pour réaliser les étapes de reprise d'épitaxie nécessaires. La première reprise, commune aux deux processus, est la croissance d'InP:Fe de part et d'autre des rubans pour les isoler électriquement. Cette étape est réalisée par dépôt en phase chimique aux métal-organiques (MetalOrganic Chemical Vapor Phase Deposition - MOCVD). Pour le SIBH 2 étapes, une seconde reprise est nécessaire pour la croissance des couches de confinement électronique ainsi qu'une étape d'implantation de protons pour isoler électriquement les rubans entre eux. Les plaques sont ensuite amincies, métallisées et clivées pour permettre le montage sur embase des composants et leurs caractérisations.Les différents SOA et RSOA obtenus ont permis la comparaison des 2 processus de fabrication en terme de performances de composants. Ils présentent tous un comportement très larges bande (>90 nm), des valeurs de gain élevées (35 dB) et de faibles facteurs de bruit (Noise Figure - NF) (5 dB) en bande C+L. En bande O, les SOA atteignent des gains de 18,5 dB, avec un faible NF (5 dB) sur de larges bandes passantes allant jusqu'à 75 nm, faisant l'état de l'art de l'amplification large bande en bande O.
Author: Vladyslav Vakarin
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Languages : fr
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Book Description
Aujourd'hui les interconnections optiques ont devancé les interconnections électriques à longue, moyenne et courte distance dans le domaine des télécommunications. La photonique silicium a connu un tel développement que même les interconnections inter et intra puces deviennent progressivement à dominante optique. En revanche, la multiplication des terminaux d'accès et l'augmentation constante du volume de données échangées imposent l'apparition de nouveaux composants avec une consommation énergétique encore plus faible. Dans ce contexte, les composants optoélectroniques à faible consommation à base des puits quantiques Ge/SiGe ont été développés. Jusqu'à présent l'utilisation des puits quantiques Ge/SiGe était seulement limitée aux modulateurs à électro-absorption Les travaux menés durant la première partie de ma thèse consistaient à étudier un nouveau type de région active à base de puits quantiques Ge/SiGe couplés. Ces études ont abouti à la démonstration d'un effet d'électro-réfraction géant dans ces structures. La région active basée sur les puits couplés donne lieu à une variation de l'indice de réfraction de 2.3×10-3 sous une tension de 1.5 V seulement. L'utilisation d'un tel effet pour la réalisation de modulateurs optiques intégrés a ensuite nécessité le développement des briques de base passives afin d'obtenir une structure interférométrique. Des virages compacts et des interféromètres de Mach Zehnder sont conçus, fabriqués et caractérisés avec succès. La sensibilité de ces structures à la polarisation est évaluée par simulation numérique et les structures insensibles à la polarisation sont conçues. Un modulateur à électroréfraction intégré est ensuite conçu et fabriqué, nécessitant la mise en place d'un nouveau procédé technologique. Les résultats de caractérisation préliminaires sont présentés. Les perspectives de ce travail sont la réalisation d'un modulateur efficace ayant une tension de commande inférieure à 2V.Le champ d'application des circuits photoniques ne se limite pas au secteur des télécommunications. L'approche basée sur l'optique intégrée est aussi très prometteuse pour l'identification et analyse des espèces chimiques environnantes. La région spectrale de moyen infrarouge est particulièrement adaptée à cet effet car les raies d'absorption spécifiques de nombreuses espèces chimiques y sont présentes. L'utilisation des circuits optiques sur substrat silicium permet de développer des systèmes spectroscopiques performants, compacts et à bas cout. La seconde partie de ma thèse était dédiée au développement de la plateforme photonique large-bande basée sur les guides d'ondes Si1-xGex riches en Ge. Les guides d'onde large bande fonctionnant entre 5.5 et 8.6 μm ont été démontrés expérimentalement ce qui a permis de concevoir des structures plus complexes telles que les MMI et les interféromètres de Mach Zehnder ultra large bande. Le même dispositif possède une bande passante théorique de 3.5 μm en polarisation TE et d'une octave en polarisation TM. Le fonctionnement a été démontré expérimentalement entre 5.5 et 8.6 μm et est seulement limité par la plage de longueurs d'ondes adressable par le laser. Ce travail ouvre les perspectives pour la future démonstration des systèmes spectroscopiques ultra-large bande sur la plateforme Si1-xGex riche en Ge. Une dernière partie de ce travail a été consacrée à l'étude de la génération de la seconde harmonique dans les puits quantiques Ge/SiGe pour les systèmes spectroscopiques dans le moyen infrarouge. Les premières structures sont conçues et fabriquées.
